（机械制造及其自动化专业论文）sicwrp复合材料磨损特性研究及其在磨削加工中的应用.pdf

摘要 摘要 s i c 晶须( 细纤维) 是一种陶瓷纤维，属于单晶体，形状似针状，本身无缺陷， 接近理论强度，因其具有高硬度、高强度、高耐磨性和相容性好等优良的机械与 物理化学特性，而被广泛地用于金属、陶瓷、塑料及复合材料的强化材料【1 3 。 本文使用s i c 晶须与酚醛树脂混合，经特殊工艺处理后制成了几种不同晶须 含量、排列方向及粉末添加剂的s i c 晶须强化树脂( s i c w r p ) 。通过试验确定 了s i c w r p 的合成工艺路线，分析了s i c 晶须定向排列时，倾斜角与延伸倍数 的关系。 为了考察s i c w r p 的磨损特性，本文在自行设计的磨损试验装置上对其进 行大量的磨损特性试验。通过对试验结果的分析，总结了s i c w r p 复合材料的 相关特性，归纳了在干摩擦条件下，载荷、摩擦速度对其耐磨损性能的影响；晶 须含量与复合材料耐磨损性能的关系；晶须排列方向对复合材料的磨损量的影 响；以及石墨等固体润滑剂对复合材料的减摩效果。另外，考察了在湿摩擦条件 下，固体润滑剂对复合材料耐磨损性能的影响。 在实验分析、总结的基础上，本文根据s i c w - r p 的磨损特性，利用s i c 晶 须的磨料作用，制成一种s i c 晶须( s i c w ) 砂轮 4 卅，与s i c 磨粒砂轮对难加工 材料如s k d l1 进行了大量的磨削实验，试验表明该砂轮不仅具有很高的磨削比 ( 6 0 0 0 以上) ，而且能获得高光滑度的加工表面( r a 0 2 t i m ) 。无疑，s i c w 砂轮是一 种耐磨性和磨削效率都很高的砂轮。 关键词s i c 晶须；s i c 晶须强化树脂：磨损特性；s i c 晶须砂轮；磨削加工 北京工业大学工学硕士论文 a b s t r a c t s i cw h i s k e ri sak i n do fc e r a m i c sf i b e r s ，s i n g l ec r y s t a l ，l i k en e e d l ea n dh a sn o f l a w s ，i th a v eb e e ne x t e n s i v e l yu s e da sar e i n f o r c e dm a t e r i a l r ”1 o fm e t a l ，c e r a m i c s ， p l a s t i c sa n dc o m p o s i t e sb e c a u s eo fi t sv e r ya t t r a c t i v em e c h a n i c a l ，p h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sh i 曲h a r d n e s s ，h i g hs t r e n g t h ，h i g hw e a r - r e s i s t a n c ea n d g o o dc o m p a t i b i l i t y i n t h i s p a p e r , s i cw h i s k e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ( s i c w - r p ) c o m p o s i t e sa r e c o m p o s e do fs i cw h i s k e r sa n dap h e n o lr e s i nb o n dw i t l lo rw i t h o u ta d d i t i v e s i n w h i c hw h i s k e r sh a v ed i f f e r e n tc o n t e n t sa n do r i e n t a t i o n s t h et e c h n o l o g yo ft h e c o m p o s i t eh a sb e e nd e f i n e da n dt h er e l a t i o n s h i po ft h er a k ea n g l ea n de x t e n s i o n m u l t i p l ea r ed i s c u s s e d t oi n v e s t i g a t et h es i c w - r pc o m p o s i t e s w e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，al a r g en u m b e ro f a b r a d i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u to nt h ea b r a s i o nm a c h i n e w ea n a l y z e dt h e t e s t r e s u l t s ，g e n e r a l i z e ds u c hc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o m p o s i t e s a st h a tu n d e rt h e c o n d i t i o no fd r yf r i c t i o n ，t h ea f f e c t so fl o a da n ds l i d i n gv e l o c i t yt ot h ew e a r - r e s i s t a n c e o fs i c w r p , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sa n dt h e w h i s k e rc o n t e n t ，t h ea f f e c t so ft h ew h i s k e ro r i e n t a t i o nt ot h ew e a rv o l u m eo ft h e c o m p o s i t e sa n dt h ea n t i f r i c t i o nw h e nt h ec o m p o s i t e sc o m p o s e do fs o m es o l i d l u b r i c a n t s b e s i d e s ，w ec o m p a r e dt h ew e a r - r e s i s t a n c eo ft h ec o m p o s i t e sw i t ho r w i t h o u tt h es o l i dl u b r i c a n t su n d e rt h ew e tf r i c t i o n b a s e do nal a r g en u m b e ro ft h et e s t s ，w ef m dt h es i cw h i s k e rc a np l a ya n a b r a s i v ea c t i o n s o ac u p s h a p e ds i cw h i s k e rg r i n d i n gw h e e l f 4 棚i sd e v e l o p e db y u s i n gt h es i c w - r pa c c o r d i n gt ot h ew e a rc h a r a c t e r i s t i c so f t h ec o m p o s i t e sa n d al a r g e n u m b e ro fg r i n d i n ge x p e r i m e n t so fd i f f i c u l tt oc u tm a t e r i a l ss u c ha sh a r d e n e dd i e s t e e l s k d l1 ( h r c 6 0 ) h a v eb e e nc a r r i e do u t ，c o m p a r e dw i t hs i cp o w d e rg r i n d i n gw h e e l ：a h i g h g r i n d i n gr a t i oo f6 0 0 0a n dav e r yf i n i s hs u r f a c ew i t hr o u g h n e s sv a l u e so f r a 0 2p mc a nb ea c h i e v e d w i t h o u ta n yd o u b t ，t h es i c wg r i n d i n gw h e e li sak i n do f g o o dw e a r - r e s i s t a n c ea n dh i 曲g r i n d i n gr a t i og r i n d i n gw h e e l s k e y w o r d s s i cw h i s k e r s ；s i cw h i s k e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ；w e a rc h a r a c t e r i s t i c s ；s i c w h i s k e rg r i n d i n gw h e e l ；g r i n d i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盔斑日期：地金告 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：垄连导师签名：i ：良艺日期：趾 第l 章绪论 1 1 复合材料技术 第1 章绪论 1 1 1 复合材料的发展及特点 人类的发展一直和材料的发展息息相关，人类各方面的进步都和新材料的 创造、发现、和应用分不开。材料的范围很广，按其材质一般可分为：金属材 料、无机非金属材料( 包括水泥、玻璃、砖瓦、陶瓷等) 、高分子聚合物( 包括 树脂、橡胶、合成纤维、涂料等) 以及复合材料。 材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。目前，人们已经充分认识到： 当单一物质材料的摩擦学性能已经不能满足生产、生活中的要求时，人们自然 会想到组合两种或两种以上的物质来提高材料在摩擦学性能上的质量或改善材 料的结构、成分来满足现实社会的各种需求。复合材料的发展受到人们的普遍 关注。 复合材料一词，国外于二十世纪五十年代开始使用，国内对复合材料的使 用始于六十年代，随之出现了对复合材料较为严格的定义。英国学者r i c h a r d s o n 在他所著的 p o l y m e re n g i n e e r i n gc o m p o s i t e s ) ) 一书中指出：“不同的材料结合 在一起形成一种结构较为复杂的材料，这种材料的组成成分应保持一致性，新 形成的材料在性能上必须有重要的改进或不同于原组成成分的性质”；同时还指 出：“复合材料是一个连续相与一个分散相的复合，或两个或多个连续相与一个 或多个分散相在每个连续相中复合的材料”。吴人杰在其编著的复合材料中 指出“复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异性的材料复合形成的新型 材料，一般由基体组元与增强或功能组元所组成。复合材料可经设计，即通过 对原材料的选择、各组分分布设计和工艺条件的保证等，使原组分材料优点互 补，因而呈现了出色的综合性能。”随着复合材料技术及理论的发展，复合材料 定义也日趋深化完善。 材料科学发展到2 0 世纪中叶，复合材料制品已经不再局限于对大自然材料 的复合利用，而是基于现代科学技术的综合产物。现代科学所讨论及研究的复 合材料一般是指纤维增强、颗粒物增强和自增强的金属基、无机非金属基( 即 陶瓷基) 和高分子聚合物基复合材料，包括基体、增强体、界面粘结、可设计 性、成型工艺、力学结构、性能测定等方面并逐步形成了一门与物理、化学、 力学及各种应用学科有关的跨学科性的材料科学。在各种学科现代成就的基础 上，复合材料已经形成集科研、设计、生产、应用的完整体系，作为新技术正 北京工业大学工学硕士论文 在国民经济建设和国防建设种发挥其先导和基础作用。 复合材料具有如下的特点。 ( 1 ) 发挥复合效应的优越性可综合发挥各组成材料的优点，使一种材料具 有多种性能。 ( 2 ) 可设计性可以按材料性能的需要进行材料的设计和制造。 ( 3 ) 材料与结构的同一性可制成所需的任意形状的产品，可避免多次加工 工序。 ( 4 ) 材料性能对复合工艺的依赖性构件性能对工艺方法、工艺参数、工艺 过程等依赖性较大。 人们根据不同的需要和标准可以将复合材料划分为若干类。按性能高低分 为常用复合材料和先进复合材料。常用复合材料包括层合板、钢筋混凝土、草 增强泥复合材料等；先进复合材料是以碳、芳纶、陶瓷纤维合晶须等高性能增 强体与耐高温的高分子聚合物、金属、陶瓷合碳( 石墨) 等构成的复合材料。 复合材料按用途分为结构复合材料合功能复合材料。结构复合材料是指以 力学性能为主要性能的复合材料，结构复合材料基本上由增强体与基体组成。 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括部分化学合和生 物性能的复合材料。 按基体种类对复合材料分类如图i - l 所示。 图1 - 按照基体种类复合材料的分类 f i g 1 - ! t h ec l a s s i f y o f c o m p o s i t e s 根据增强相的种类又可将复合材料分为纤维增强型、粒子弥散和增强型、 金属间化合物型、陶瓷复合材料型。 第1 章绪论 1 1 2 聚合物基复合材料简介 聚合物基复合材料是指由聚合物材料( 又称高聚物、高分子) 作为复合材 料基体和分散质的材料，也就是含高分子化合物的复合材料。自从8 0 年代初， 日本学者t a k a y a n g g i 和美国学者h e l m i n a x 等人【9 - 1 4 】提出聚合物分子复合材料的 概念以来，聚合物基复合菜的研究取得了引人注目的成就。聚合物基复合材料 成为复合材料种应用最广、发展也最快的一类复合材料。能够作为复合材料中 基体和分散质的高分子材料主要有树脂和橡胶，填充体主要可分为纤维和颗粒 两大类。以聚合物为基体的复合材料成为复合材料中品种最多、产量最大、应 用最广的一大类，其原因是聚合物可以与各种材料如金属、木材、水泥、橡胶、 各种纤维和粒子等填充体进行复合，组成多种复合材料。 1 1 2 1 聚合物基复合材料的分类 聚合物基复合材料以基体结构的不同可分为以下几类。 ( 1 ) 以天然或合成聚合物为基体的复合材料天然聚合物基复合材料为以 纤维素衍生物为基体的复合材料。合成聚合物基复合材料是由增强塑料、增强 橡胶等常常是以合成塑料及合成橡胶为基体制成的。 ( 2 ) 以热固性或热塑性聚合物为基体的复合材料热固性聚合物基复合材 料常常是采用以缩聚反应形成的聚合物，或者是以加聚反应形成的聚合物再经 交联而得到的聚合物为基体，以纤维作为增强体。热塑性聚合物基复合材料常 常是采用加聚或共聚反应形成的聚合物为基体，短纤维或颗粒作为增强体。 1 1 2 2 聚合物基复合材料的特点 与金属基和非金属基复合材料相比较，聚合物基复合材料具有以下的几个 特点2 1 。 ( 1 ) 比强度、比模量大高模量碳纤维环氧复合材料的比强度为钢的5 倍、 铝合金的4 倍、钛合金的3 5 倍。其比模量是铜、铝、钛的4 倍。 ( 2 ) 耐疲劳强度好金属材料往往没有明显预兆的情况下出现突然性破坏， 大多数金属材料的疲劳强度是其拉伸强度的3 0 5 0 ，而聚合物复合材料的疲劳 强度极限可以达到其拉伸强度的7 0 - 8 0 。 ( 3 ) 减震性能好材料受力结构的自振频率与结构本身形状有关外，还与结 构材料比模量的平方根成正比。由于复合材料具有较高的比模量，因此减震效 果较好。 ( 4 ) 工艺性好复合材料构件制造工艺简单，适合整体成型，从而减少了零 部件、紧固件和接头的数目。所以工艺装备简单，加工周期短，较金属制件可 大大降低成。 ( 5 ) 具有多种功能性耐烧蚀性能好；有良好的摩擦性能，包括良好的摩阻 北京工业大学工学硬士论文 特性及减摩特性；高度的电绝缘性能；优良的耐腐蚀性能；特殊的光学、电学、 磁学特性等。 由于上述的各种优越性能，聚合物基复合材料广泛的应用在航天、航空、 交通运输、日常生活等各个领域，成为科研人员、生产人员密切关注的课题。 其应用范围已经从普通的结构复合材料扩展到耐磨复合材料、阻尼材料、电磁 屏蔽材料、磁性材料、导电材料、耐烧蚀等功能领域。 1 1 3 晶须增强树脂基复合材料的发展 近年来，晶须增强复合材料已经成为复合材料研究领域内极为活跃的一个 方面，晶须增强复合材料表现出来的优异性能也大大地推动了各种晶须的研制 和开发，现在已经开发出了一百多钟不同的晶须。特别是随着s i c 、t i c 等晶须 的量产化，它们凭借着其性能上的优势，使得晶须在补强高聚物方面的研究越 来越受到人们的重视。本文就是介绍了一种s i c 晶须增强酚醛树脂( s i c w - r p ) 复合材料。 晶须最初是应用在陶瓷基和金属基复合材料中。陶瓷材料具有很高的强度、 耐磨、耐高温、抗腐蚀等有点，但陶瓷有一个致命的缺点就是非常脆，而在各 种增韧方法如弥散增韧、变相增韧、纤维或晶须增韧中，晶须增韧是效果最好 的一种。晶须对陶瓷基体的增韧补强作用机理也相应的研究也较深入【l 。”j 。通 常，陶瓷质晶须对复合材料性能的影响用复合法则来解释，然而该法则即使经 过修正，其理论值还是和实际结果存在着很大差异，因为复合材料的补强增韧 是一个复杂过程，在不同条件下其补强增韧机理不同，并且在很大程度上是取 决于晶须一基体之间的界面结合情况及晶须的特性。 晶须的主要用途是作为复合材料的增强骨架，得到晶须增强的复合材料。 晶须在树脂基复合材料和金属基复合材料中主要起到强化的作用。通常认为， 这类复合材料的强度盯，是基体的强度口。和晶须的强度盯。，按体积含量计算 的平均值，即盯r = 厶- 口。+ 兀a 加，式中f o 和l 分别是基体和晶须的体积分 数。对于弹性模量，也有类似的关系式。这种强化理论显然是比较粗造的，完 全未考虑材料的内部结构。因此，对于晶须增强的金属基复合材料，除了经典 的载荷传递强化机制之外，还提出了其它的许多强化机制( 2z - 2 5 1 ，例如弥散强化、 残余应力强化、织构差别引起的强化、热膨胀系数的差别而使位错密度增大引 起的强化、高位错密度而形成的细小亚晶粒引起的强化等。 晶须增韧补强树脂2 6 1 的研究相对开始较晚，对于晶须增韧树脂的补强增韧 作用机理研究的也相当少，这当中也主要借鉴、引用晶须增韧补强陶瓷基体的 机理。概括起来，主要有以下几个效应： ( 1 ) 偏转效应由于晶须周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过晶须， 第1 章绪论 按原来的扩展方向继续扩展。相反，它更容易绕过晶须( 尽量贴近晶须表面) 而扩展，即裂纹发生偏转。偏转后的裂纹受的拉应力往往低于偏转前的裂纹， 而且裂纹的扩展路径增长了，固裂纹扩展过程中需要消耗更多的能量，这些都 导致裂纹难以继续扩展。 ( 2 ) 搭桥效应对于特定位向和分布的晶须，裂纹很难偏转，只能按原来的 扩展方向继续扩展，此时紧靠裂纹尖端处的晶须并未断裂，因而会在裂纹表面 产生一个压应力，以抵消外加拉应力的作用，从而使裂纹难以进一步扩展，换 言之，晶须在裂纹两岸搭起小桥，使两岸连在一起。 ( 3 ) 拔出效应拔出效应是指仅靠裂纹尖端的晶须在外应力作用下沿着它 和基体界面滑出的现象。显然这种效应会使裂纹尖端的应力松弛，从而减缓了 裂纹的扩展。不过，由于晶须很短，其拔出效应远不如连续纤维那样显著。 ( 4 ) 微裂效应在裂纹尖端的应力场和残余应力作用下，晶须成为微裂纹 源，而在裂纹前方形成散布下( 不连通的) 微裂纹区，此区的弹性模量较低， 并能吸收应变释放的能量，因而使材料增韧。( 吸收效应也可以理解成是由于微 裂纹在残余应力作用下膨胀而造成主裂纹闭合的结果) ( 5 ) 负荷传递效应外力通过基体的变形传递到晶须上。 ( 6 ) 基体预应力效应晶须与基体的热膨胀失配，使复合材料引入内应力， 这种预应力对抗拉强度低的基体是有利的。 l a )b )c)d) 图1 2 晶须的增韧机制 a ) 偏转b ) 搭桥c ) 拔出d ) 微裂 f i g 1 - 2t h em e c h a n i s mo f w h i s k e rr e i n f o r c e dc o m p o s i t e s a ) d e f l e c t i o nb ) 。b r i d g i n g c ) e x t r a c t i o nd ) f i n ef i s s u r e 注：在扩展中的裂纹尖端后方的微裂纹区； 在裂纹开始扩展时的微裂纹区。 图1 2 为晶须的增韧机制的图解。可以理解，晶须通过以上几种机制对基 体进行补强增韧，则晶须和树脂的结合界面对复合材料的性能起着至关重要的 作用。界面粘结如果良好的话，外力通过基体变形强负荷传递给晶须的效率增 大，使晶须能有效的承担外力，同时晶须在外力作用下沿着它和基体的界面滑 出时，要吸收更多的能量，并且基体中的裂纹遇到晶须时，尽量贴近晶须表面 扩展的过程中，不仅使裂纹扩展的路径增长了，还增加了破坏晶须和基体良好 粘接界面的能量，这些都使裂纹难以继续扩展，达到改善材料性能的目的。 器 瓣州 喘纫 北京工业大学工学硕士论文 1 2 摩擦磨损研究概述 1 2 1 摩擦磨损研究的发展 摩擦学是一门年轻而又古老的学科。摩擦学来源于j o s t 在1 9 6 6 年关于润 滑的教育与研究现状及工业需求的调查报告，其定义为“研究相互接触、相对 运动表面的科学及相关技术，包括研究摩擦、磨损与润滑”。摩擦消耗了世界上 一次性能源的1 3 以上，磨损是材料与机械设备失效的3 钟主要形式之一，给 国民经济带来的损失及其巨大。据估汁，仅磨料磨损每年就使工业国家损失国 民生产总值的1 4 。按艾尔( t s e y r e ) 的估计，磨损给工业国带来的损失 可达国民生产总值的2 8 。美国曾估计，磨损造成的损失摩擦造成的能量损 失的1 2 倍，这样美国每年因磨损造成的损失可达1 9 2 0 亿美元。 对摩擦学研究的较早的科学家当推l e o n a r d od av i n i c ，他第一个对摩擦提 出了科学的论断，认识到摩擦力与载荷成正比而与名义接触面积无关，建立了 摩擦的基本概念。1 7 8 5 年c a c o u l o m b 继前人的研究，利用机械啮合理论解释 干摩擦。l8 8 6 年r e y n o l d s 建立了流体动力润滑基本方程式。1 9 3 5 年f e b o w d e n 开始使用粘着磨损概念研究干摩擦，提出摩擦理论。1 9 3 9 年，克拉盖尔斯基提 出了摩擦的分子一机械学说。1 9 5 6 年b o w d e n 和t a b o r 提出了粘着摩擦理论。 摩擦、磨损与润滑过程都发生在表面与界面，进入二十世纪6 0 年代，随着现代 工业的发展及表面科学迅速崛起，推动了润滑及材料磨损的研究，尤其极大地 促进了摩擦学的发展。二十世纪8 0 年代以来，摩擦学已经从传统的机械学和力 学转向新型润滑与防护材料、磨损及摩擦化学与物理的研究。 材料磨损的研究开始的较晚，本世纪6 0 年代以来陆续研制出各种表面分析 仪器才推动了这些研究的迅速发展。本世纪4 0 年代到5 0 年代，霍尔姆发表了 点接触电性能的报告，巴威尔与斯特伦发表了销盘机上磨损试验研究成果，开 始了磨损研究阶段。 1 2 2 摩擦学研究所取得的成就 摩擦、磨损与润滑的研究涉及到材料、化学、机械、物理和力学等多个领 域【3 4 】。在1 9 9 7 年伦敦第一届世界摩擦学大会上，d o w s o n 全面总结了1 9 世纪 和2 0 世纪摩擦，磨损与润滑领域所取得的重要成就【2 7 】。始于1 9 世纪初对摩擦 的研究；1 9 世纪中叶对矿物油的提炼；关于止推轴承、滚动摩擦、h e r t z 接触 应力、r e y n o l d s 润滑方程和倾斜瓦止推轴承的研究，建立了著名的关于润滑剂 粘度、滑动速度、载荷与摩擦系数的关系曲线。2 0 世纪初期的铁路、公路交通 工具的发展促进了轴承、齿轮、活塞环等技术的进步，尤其是汽车工业极大地 促进了以b a b b i t t 合金及c u p b 合金为主的滑动轴承的发展。在1 9 3 0 年前后 第1 覃绪论 r e y n o l d s 润滑理论、滚动轴承理论等趋于完善，同时汽车工业的发展促进了润 滑剂及润滑添加剂技术的进步。在2 0 世纪中叶，弹性流体润滑开始为人们所认 识，并在6 0 8 0 年代达到近乎完善的程度。润滑防护材料在2 0 世纪获得了飞 速发展，非金属尤其是聚合物材料在民用工业及航空领域获得了成功应用，并 在1 9 6 6 年和1 9 6 7 引出以p v ( 载荷速度) 值作为判断材料工作极限的参数。 2 0 世纪航空、航天、核工业的发展促进了固体润滑的研究，以m o s 2 、石墨、 聚四氟乙烯( p t f e ) 、聚合物、氧化物为代表的固体润滑材料获得了广泛的使 用。同时基于对设备可靠性的考虑，摩擦磨损运行工况检测技术，如铁谱等日 益受到人们的重视。6 0 年代开始，以人工关节为代表的生物摩擦学发展成为备 受人们关注的摩擦学分支领域。8 0 年代及9 0 年代，摩擦化学、陶瓷摩擦学、 摩擦学表面工程等领域获得了飞速发展。而计算机工业、微型机械的发展及纳 米技术的出现推动了微观摩擦学( 纳米摩擦学) 的研究。 1 2 3 摩擦学研究的发展趋势 摩擦学作为一个独立的学科已经有3 0 余年的历史，但我国接受摩擦学这一 概念始于1 9 8 0 年。美国以t r i b o l o g y ( 摩擦学) 替代l u b r i c a t i o n ( 润滑) 始于 1 9 8 4 年，而日本接受这一名词则更晚。 随着科学技术的迅速发展，人们对表层技术的微观分析和电子计算技术等 先进手段逐渐应用与加深，对材料表面所发生的各种摩擦磨损现象有了更加深 入的研究，开始由宏观进入亚微观乃至微观，同时也由定性到半定量乃至定量 的研究。磨损种类很多，没有统一的分类方法，比较通用的还是j t b u r w e l l 和 c d s t r a n g e 所提出的方案：材料磨损的基本形式分为磨料磨损、粘着磨损、疲 劳磨损以及腐蚀磨损等。在生活实践中，磨损形式的表现往往十分复杂，以上 所总结的磨损形式只是几种基本类型的转化和复合。摩擦、磨损与润滑三者相 互结合形成了摩擦学这一边缘学科。 摩擦学( t r i b o l o g y ) 是近三十多年来迅速发展起来的一门新兴边缘学科， 主要包括摩擦、磨损与润滑等研究领域。摩擦学直接关系到机器设备的可靠性、 耐久性和能源利用率，故其已经成为当代工程科学中最重要的学科之一。 随着世界经济的发展和科学技术的进步，摩擦学不仅在工业上应用越来越广泛， 而且在很多高新技术的开发中也起着举足轻重的作用。仅就空间工业而言，摩 擦学失效的后果是不堪设想的。从这种意义上讲，可称摩擦学是一种启动技术。 目前，摩擦学的重要作用正日益受到人们的普遍关注，并且在高度发达的工业 国家尤其明显。为了适应现代经济和科学技术发展的需要，近2 0 年来的摩擦学 研究内容在不断的深化，其中关于摩擦与磨损的研究主要表现在以下方面。 近年来，已经采用a f m 观测相对运动的固体表面原子间力以研究摩擦的 北京工业大学工学硕士论文 起因；研究了在高真空( 1 0 。7 p a ) 条件下粘着和摩擦的化学效应，这些效应都能 够导致一些过渡金属如t a 、w 、n b 、t i 等的粘着结合现象；研究了磁流体、磁 粉和磁力空气摩擦理论与技术及产品；开发出利用电压控制摩擦力以减少机 械摩擦的新技术。 摩擦与磨损是发生在相对运动的接触界面上的复杂现象，包含着许多物理、 化学及力学过程。在摩擦与磨损过程中，接触界面之间的作用力主要是机械力。 在该力的影响下，表面及附近的一定范围内的材料将发生较大的塑性变形，与 此伴随，结构和组织将发生显著变化。 磨损是相对运动的接触固体表面上，材料逐渐分离和损耗的过程。同时这 是发生在表层中的一种特殊断裂过程。磨损并不是材料固有的特性，它与运转 条件密切相关，是一种与整个系统有关的特性。 此外对摩擦热效应的研究也取得了一些进展，如闪温的测量和预测，以及 接触表面温度与平均体积温度之间的关系。 在摩擦学材料开发方面也取得了一些进展，已经开发出用于高温的单片陶 瓷、填充( 干润滑剂) 的高分子和高分子一金属复合材料，以及可以在高速和 重载条件下工作的自润滑轴承材料和汽车及飞机中应用的性能良好且寿命长的 刹车材料。此外，还研制了聚合物基减摩和耐磨自润滑材料等，并研究了这些 材料的摩擦学特性及它们在摩擦学工程中应用。 1 3 摩擦学中复合材料的开发及应用 1 3 1 摩擦学复合材料的开发及研究现状 磨损、腐蚀和断裂是材料失效的三种主要形式，其中有摩擦磨损所导致的 失效是包括航空、机械、电子等领域内的机电材料失效的主要原因。约有7 0 8 0 的设备以及3 0 5 0 的能源消耗是由各种形式的磨损弓l 起的。我国由于 技术相对落后、设备老化等原因。材料磨损失效造成巨大的经济损失。调查结 果表明：在建材、冶金矿山、电机、电力、煤炭等五个部门中，每年因磨损消 耗的钢材就超过百万吨。相当比例的零件由于抗磨损能力低、寿命短而提前报 废，停产维修损耗了大量的人力、物力和财力，在一定程度上一直了经济的发 展。提高材料的耐磨性能，研究新型摩擦学材料成为加速经济发展的重要前提 之一。由于复合材料技术可以实现不同性能的组合，提高材料的综合性能。因 此对摩擦学复合材料的研究是解决摩擦磨损造成危害问题的重要手段之一。 目前，随着各式各样复合材料的开发和利用，各种基体的复合材料在摩擦 学领域方面所表现出的优异性能越来越受到人们的重视，人们在试图利用对各 种材料进行复合化以改善其摩擦磨损性能的过程中取得了可喜的迸展。对于金 第1 章绪论 属基复合材料，a 1 2 0 3 增强铝基复合材料在8 0 年代用于发动机活塞的生产，并 被列入我国“八五”重点推广攻关项目。s i c p 、a 1 2 0 3 p 、纤维、晶须等增强金 属基复合材料由于其优异的耐磨性能、高强度和低密度被普遍应用于刹车盘、 活塞等。对于无机非金属基复合材料( 又称陶瓷基复合材料) ，利用化学气相 沉积发制备出的碳碳( c v dc c ) 复合材料密度低、热容量大、热物理性能号， 具有良好的摩擦磨损性能，可作为刹车盘用材料【2 9 1 。利用原位生长的方法制备 a 1 2 0 3 a 1 陶瓷基复合材料在大大提高a l 或a l 合金及耐磨性能的同时，解决了 基体与第二相粒子之间的界面缺陷问题。聚合物基复合材料的开发和利用更为 普遍。在高密度聚乙烯基体中加入纤维作为填料后具有良好的机械和摩擦学性 能【30 1 ，是一种应用前景广阔的减摩抗磨复合材料。超高分子量聚乙烯a 1 2 0 3 复 合材料具有生物相容性、化学稳定性、抗冲击性以及优良的耐磨性能，被用于 人工关节的制作材料【3 1 】。近年来，许多学者试图确定、控制复合材料摩擦学性 能的决定性现象，并着手统一聚合物基、金属基及无机非金属基复合材料的摩 擦学信息，在此基础上产生许多关于复合材料摩擦、磨损及润滑的重要理论， 如1 9 9 0 年出版的复合材料大全，1 9 9 3 年出版的复合材料摩擦学进展等，这些 理沦和实践的相互结合对最终理解掌握复合材料摩擦学的复杂性奠定了坚实的 基础。 总之，在改善材料摩擦磨损性能领域之中，复合材料拥有一定的发展空间， 材料的复合化是解决材料减摩及耐磨问题的重要途径之一。 1 3 2 聚合物基复合材料的摩擦学特性 高性能聚合物材料的开发以及聚合物本身的优异特性，使得聚合物在工业 中的应用也不断得到发展，而且由于聚合物品种多、耐腐蚀性好、比模量和比 强度高等方面的优点，在某些场合有逐步取代金属材料的趋势。 随着聚合物材料应用的日益广泛，其摩擦磨损现象越来越受到人们的重视。 与金属和无机非金属材料相比，聚合物材料具有特殊摩擦学特性：既可以单独 作为减摩机械零部件使用，还可以作为第二相填料加入合金、t 镀层等基体中起 到减摩、润滑的作用。聚合物材料的缺点在于冷变形量大，特别是其耐磨性能 相对较差。由于摩擦和磨损过程不但会引起聚合物材料的损失，同时引起材料 表明局部温度的升高，聚合物材料性能下降，加速其失效过程。目前，虽然有 些聚合物材料作为减摩材料已经进入商品化阶段，但若不进一步改善聚合物材 料的耐磨性能，就不能充分体现聚合物材料区别于金属、合金以及陶瓷材料的 优异性能。对聚合物材料的耐磨性进行研究引起材科学工作者的极大兴趣“。 为了改善聚合物材料的耐磨性能，人们采用的方法之一【3 3 l 是向聚合物基体 中加入纤维、无机物粉末、各种金属和合金粉末作为第二相填料对基体进行复 北京丁业大学工学硕士论文 合化。在加入这种填料后，复合材料耐磨性能得到较大幅度的提高。该处理方 法操作过程简单，易于实现，并成本也大为降低，适用于推广应用，从而促进 了树脂基摩擦学复合材料的发展和应用。 1 3 3 聚合物基复合材料在摩擦学中的应用 聚合物基体添加第二相填料，可以显著改善聚合物的耐磨损性能【3 4 】，而摩 擦系数略又增加，实现材料复合化对其摩擦性能的损坏较小，即通过聚合物材 料的复合化可以显著提高复合材料的摩擦学性能。聚合物基复合材料根据第二 相填料的性质可以分为：( 1 ) 无机材料，如碳酸钙、粉煤灰、滑石粉、云母粉、 陶瓷颗粒和各种纤维等；( 2 ) 有机材料，如木粉、稻壳、各种有机物粉末等； ( 3 ) 混合复合材料，复合材料中同时加入无机和有机材料的混合物作为增强体 材料； 人们对某些无机填料改善复合材料减摩、耐磨性能进行了较多的研究和探 索，特别是一些陶瓷颗粒。而对于某些纤维或晶须对树脂材料的摩擦学性能的 研究不是很多，随着人们一些陶瓷纤维如s i c 、t i c 晶须的认识，晶须增强树脂 材料也越来越受到人们关注，对其摩擦学性能也越来越感兴趣。 1 4 课题提出的背景及研究意义 摩擦磨损现象普遍存在且不可避免，使得研究具有良好摩擦磨损性能材料 这以问题显得尤为重要且突出。复合材料的开发和利用是解决摩擦磨损造成危 害的有效措施之一，由于树脂基复合材料比重低并且具有优异的耐疲劳性能和 较高的使用温度，因此该类材料受到人们广泛关注。针对当前树脂基复合材料 的使用环境及材料的性能要求，我们研究的目的之一是制备耐磨的树脂基复合 材料，并对其摩擦磨损性能进行研究。 f r p ( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ) 是指高强度的补强纤维与树脂混合、压铸、烧 结而成的复合材料，具有优良的比强度和比弹性率、且重量轻等特性。补强纤 维的种类、排列方向，与树脂的复合方法各种各样。过去补强纤维以玻璃纤维、7 碳纤维等为主。近年来，自从晶须被开发、量产化以来，这种情况发生了质的 变化。晶须属于单晶体，似针状完全结晶体，本身无缺陷，接近理论强度。其 中陶瓷( s i c 、t i c ) 晶须具有非常优良的比强度和比弹性率，是理想的补强纤维。 晶须强化树脂基复合材料，其作用是提高机械强度，改善尺寸稳定性及耐热性， 表面平滑性等。目前它主要应用于体育、娱乐用品以及精密机械零件和汽车零 件上，并期待产品的进一步开发与实用。 本文利用s i c 晶须具有优良的机械与物理化学特性如高强度、高硬度、高 弹性模量、高的化学稳定性，以及它的耐磨损、耐高温氧化和耐酸碱，与基质 第1 章绪论 材料有良好的相容性等特性，以s i c 晶须和酚醛树脂，按一定体积比均匀混合， 经压铸、烧结成型，制成了一种s i c 晶须强化树脂( s i c w r p ) ，并对其进行了 大量的磨损特性试验。利用其磨损特性，将其制成s i c 晶须砂轮，其中晶须的 排列方向垂直于砂轮磨削表面。本课题研究目的，就是通过试验进一步验证 s i c w - r p 的性能，为今后其在磨削加工中的应用提供可行的技术和试验基础。 1 5 本论文的主要工作及内容安排 基于课题的主要工作，本文的内容安排如下： 第l 章对复合材料，特别是聚合物基复合材料的发展及现状；阐述了摩擦 磨损研究的现状和发展趋势，以及摩擦学复合材料的发展。 第2 章介绍了s i c w r p 复合材料制备的工艺流程；磨损实验中重要设备零 件的制作。 第3 章研究s i c w r p 复合材料在各种摩擦条件下的磨损性能，探讨晶须含 量、摩擦速度和载荷、晶须排列方向等对复合材料摩擦磨损性能的影响。 第4 章介绍了s i c w r p 复合材料在磨削加工中的应用，对s i c w r p 制成的 s i c w 砂轮进行了磨削实验，就磨削比和工件表面粗糙度与s i c 颗粒( s i c p ) 砂 轮进行了比较。 论文最后，对研究生期间所做的课题进行了总结，特别是对各种摩擦条件 对s i c w r p 复合材料磨损特性的影响进行了总结；而后对s i c w r p 复合材料的 应用进行了展望。 北京工业大学工学硕士论文 第2 章s i c w - r p 的制备及试验装置 本文使用s i c 晶须与酚醛树脂相混合，经特殊工艺处理后，制威各种不同晶 须含量、排列方向的s i c w r p ，并在自行设计的磨损试验机上进行磨损试验。 2 1 原材料介绍 制备s i c w - r p 所用到的原材料主要有s i c 晶须和酚醛树脂。 晶须是高强度的须状( 一维) 单晶体，具有实用价值的晶须直径大约在 0 1 1 0 删之间，其长度与直径之比在5 1 0 0 0 之间。自从1 9 4 8 年美国贝尔公司首 次发现晶须以来，到目前为止，已经开发了一百多种不同的晶须，主要分为金属 晶须、陶瓷晶须和有机晶须三大类。陶瓷晶须的强度和耐热性能优于其它两类晶 须，故目前绝大多数有工业应用价值的晶须都是陶瓷晶须。由于陶瓷晶须的尺寸 极小，又是高纯材料，故不存在( 和很少) 内部结构缺陷( 如位错、杂质等) ， 因而其强度远高于一般尺寸的同种材料。 树脂是一种高分子聚合物，常用作复合材料的基体材料，分为热固性树脂和 热塑性树脂。常用作基体材料的热固性树脂有芳香族聚酰胺、酚醛树脂、环氧树 脂等：常用的热塑性树脂有尼龙、聚碳酸酯、a b s 、聚苯乙烯等。 2 1 1s i c 晶须 s i c 晶须作为陶瓷晶须的一种，与其他许多晶须相比，具有更高的强度、硬 度和杨氏模量，更好的化学稳定性，更优良的耐磨、耐腐蚀及抗高温性能，被称 为“晶须之王”。 目前s i c 晶须已经进入了实用阶段，用于制造各种基体的复合材料，并取得 了极佳的效果。在铝基体中加入s i c 晶须可以大幅度提高材料的弹性模量，改善 合金的低高温强度、疲劳强度，大大提高了合金的耐磨性。现已经被广泛应用于 汽车工业、航空航天工业，特别是军工业，作为结构件和耐磨件，如发动机活塞、 连杆、轴瓦等。 21 1 1s i c 晶须的性质【3 5 。3 州 s i c 晶须有两种质异晶体，即六方结构旺- s i c 和立方结构的1 3 - - s i c 。与n s i c 晶须相比，1 3 - - s i c 晶须在压力a n t 过程中断裂的可能性要小些，目前工业上应 用的大多是1 3 - s i c 晶须，其轴向为 ，侧面基本上是 面，故品须的断 面呈三角形和六角形。 s i c 晶须形状如针状，单晶体，内部无缺陷，具有优良的机械与物理化学 特性，如高强度、高硬度( h v = 8 0 0 0 ) 、高弹性模量、高的化学稳定性，以及它的 第2 章s i c w - r p 的制备及试验装置 耐磨损、耐高温氧化和耐酸碱，与基质材料有良好的相容性等特性。其s e m 照 片如图2 1 所示。 图2 1s i c 晶须的s e m 微观图 f i g 2 1s e mm i c r o g r a p ho f s i cw h i s k e r s 2 11 2s i c 晶须的发展及其种类 表2 - 1 研制和生产s i c 晶须的主要国外公司和晶须质量比较 t a b l e 2 1t h ec o m p a n i e sm a n u f a c t u r i n gs i c wa n dt h ec o m p a r i s o no f t h e i rp r o p e r t i e s 公司名称 a m a cm t e h ot o k a im a t r l o s a l a m o sn a g a s a k i 晶型a + 1 30时d p p 直径( u m ) 0 60 0 5 0 2o 2 1o t 3 5 5 6 1 0 长度( u m ) 8 - 1 0l o - 4 03 0 2 0 03 0 2 0 03 0 0 03 0 0 0 5 0 0 0 杂质含量，p p m n a1 05( 1 0 0 m g 9 0 2 5 0 0l 】02 0 01 2 0 a l1 2 0 6 0 07 3 0 2 0 08 0 0 k1 0 1 3 0 0 c a1 5 0 3 8 0 06 0 04 0 0 m u，7 0l2 5 f e6 0 1 01 3 0 02 51 5 0 c o 1 02 0 0 0 1 n i 9